МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 41-48
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ
УДК 621.382
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КМОП БИС ПО ОДИНОЧНЫМ ТИРИСТОРНЫМ ЭФФЕКТАМ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ СО СТОРОНЫ ПОДЛОЖКИ
© 2015 г. А. А. Печенкин, Д. В. Савченков, О. Б. Маврицкий, А. И. Чумаков, Д. В. Бобровский
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва
ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы", Москва
E-mail: aapech@spels.ru, dvsav@spels.ru, obmavr@spels.ru, aichum@spels.ru, dvbob@spels.ru
Поступила в редакцию 25.05.2014 г.
Представлены результаты расчетно-экспериментального моделирования одиночных тиристор-ных эффектов при воздействии сфокусированного лазерным излучением с тыльной стороны кристалла — со стороны подложки. Проанализированы возможности применения методики локального облучения для оценки эквивалентных линейных потерь энергии заряженных частиц в случае лазерного воздействия со стороны подложки. Проведено сравнение экспериментальных результатов, полученных на лазерной установке и ускорителях заряженных частиц для ряда современных БИС.
DOI: 10.7868/S054412691501007X
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при проведении экспериментальных исследований и испытаний изделий микроэлектроники для моделирования одиночных радиационных эффектов от воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) широко используются методики, основанные на применении сфокусированного лазерного излучения пикосе-кундной длительности [1—3].
Применение в современных СБИС многослойной металлизации, а также технологии "перевернутых" кристаллов (Flip-Chip), существенно затрудняет применение классических методик, когда лазерное излучение воздействует со стороны приборного слоя. Поэтому потенциально интересными являются методики, основанные на облучении лазером со стороны подложки, т.е. с тыльной стороны через подложку [6]. В данной работе предлагается модифицированная методика локального лазерного воздействия [4, 5] с тыльной стороны кристалла для оценки параметров чувствительности КМОП БИС к тиристор-ным эффектам при воздействии ТЗЧ.
2. ОПТИЧЕСКАЯ ФОКУСИРОВКА НА ПРИБОРНОМ СЛОЕ С ТЫЛЬНОЙ СТОРОНЫ ПОДЛОЖКИ
Принципиальная возможность облучения полупроводниковых структур со стороны кремниевой подложки основана на том, что лазерное излучение с длиной волны 1064 нм имеет относительно слабое поглощение в кремнии (рис. 1). Например, даже для кремниевых подложек с толщиной 800 мкм оптические потери составляют всего несколько раз. При облучении БИС с более тонкой подложкой (200—300 мкм) существует возможность использования более коротких длин волн [8].
При облучении БИС сквозь кремниевую подложку за счет эффекта преломления на границе раздела воздух—кремний происходит смещение области острой фокусировки лазерного излучения в глубину кристалла (рис. 2). При этом диаметр сфокусированного лазерного излучения не меняется, а происходит некоторое увеличение длины фокальной области, в которой обеспечиваются минимальные размеры оптического пятна. Данное обстоятельство позволяет модифицировать методику локального лазерного излучения
Длина волны, нм
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения в кремнии от длины волны лазерного излучения [14].
80 60 40 20
0
Лазер сфокусирован на поверхность тыльной стороны
Воздух Кремний
- Чувствительная
-600 -400
200 0 200 Расстояние, мкм
400 600
а
к
£
п р
е м з а Р
80 60 40 20 0 20 40 60
Лазер сфокусирован в чувствительную область
400 -200 0 200 400 600 Расстояние, мкм
Рис. 2. Изменение диаметра пучка лазерного излучения в чувствительной области при смещении плоскости острой фокусировки излучения лазерного имитатора.
[4, 5] применительно к облучению кристалла БИС с тыльной стороны.
Применение методики локального лазерного облучения [7] требует обеспечить детерминированное изменение эффективного диаметра пятна лазерного излучения в чувствительной области кристалла БИС. Традиционным способом изменения диаметра лазерного излучения является смещение кристалла БИС относительно
плоскости острой фокусировки лазерного излучения вдоль оси его распространения. При этом при облучении с тыльной стороны необходимо учитывать преломление оптического излучения на границе раздела воздух—кремний. Взаимосвязь эффективного диаметра пятна с величиной смещения вдоль оси распространения лазерного излучения может быть установлена в приближении, что излучение лазерного имитатора
Б/2, мкм
60
50
40
30
20
10
— 1 = 1.064 мкм; NA = = 1.064 мкм; NA = = 0.4 Б = = 0.5 Б = 1.73 мкм 1.42 мкм
V.............. \ \
-----V........
воздух п = 1 кремний п = 3.5
-...............1.................. 1 .....у.........
1
50
100
150
200 2, мкм
250
300
350
400
0
Рис. 3. Изменение диаметра лазерного пучка D при прохождении границы раздела двух сред (для толщины подложки 250 мкм).
является Гауссовым пучком, и изменение угла расходимости происходит из-за преломления лучей на границе раздела. Так на рис. 3 показан ход лучей лазерного источника для двух значений числовой апертуры ЫЛ фокусирующей оптики, а так же минимальный расчетный диаметр пятна фокусировки Б. Так как длина перетяжки Гауссо-вого пучка в кремнии для типичных лазерных источников составляет более 10 мкм, то для большинства БИС можно считать, что чувствительные области находятся у противоположной поверхности кристалла. Поэтому технически задача сводится к обеспечению фокусировки на противоположной поверхности подложки со стороны металлизации.
Следовательно, важным моментом, обеспечивающим корректность применения методики, является точное определение толщины кремниевой подложки. Естественно, что наиболее простой метод базируется на прямом измерении толщины подложки кристалла. Но его применение сопряжено с нарушением целостности корпуса (а зачастую и кристалла) БИС и, как следствие, приводит к потере ее работоспособности.
Второй метод определения глубины залегания чувствительной области основан на анализе зависимости пороговой энергии лазерного излучения для возникновения одиночного эффекта в БИС от величины смещения кристалла вдоль оси лазерного излучения. Типичная форма подобной зависимости приведена на рис. 4. Минимум данной зависимости соответствует смещению, при котором диаметр пятна лазерного излучения в чувствительном объеме БИС минимален.
Данный метод эффективно работает в случаях, когда одиночный эффект в БИС обнаружен, и он хорошо локализован. На первоначальном этапе сканирования кристалла с целью выявления областей возникновения одиночных эффектов этот метод оказывается неприменимым.
Следующий метод основан на измерении амплитудно-временных характеристик ионизационной реакции при воздействии на подложку лазерным излучением с длиной волны 0.53 мкм (поверхностная генерация носителей). В этом случае по задержке распространения сигнала отклика может быть оценена толщина подложки.
Еще один метод определения глубины залегания чувствительной области основан на визуализации изображения слоев металлизации кристалла
J, нДж 30
20
10
К
\
\
\
\
/
/
у
т
w
0 100 200 300 400
Z, мкм
Рис. 4. Зависимость пороговой энергии лазерного излучения J для возникновения тиристорного эффекта в БИС EP2S30 от величины смещения кристалла Z вдоль оси лазерного излучения.
БИС сквозь подложку с использованием камеры ИК диапазона. Так как нижние слои металлизации находятся в непосредственной близости от чувствительных по одиночным эффектам областей, то можно считать, что лазерное излучение будет фокусироваться в чувствительной области в минимальное пятно при смещении кристалла, соответствующему резкому наблюдению ИК-изобра-жения. Это утверждение справедливо при выполнении следующих условий:
а) плоскость резкого наблюдения ИК камеры совмещена с плоскостью острой фокусировки лазерного луча;
б) спектральный диапазон чувствительности ИК камеры включает в себя используемую длину волну длине волны лазерного излучения и достаточно узок для исключения влияния дисперсии в подложке.
На рис. 5 приведены фотографии фрагментов топологии БИС, полученных в ИК диапазоне 1100...1700 нм.
Данный метод определения глубины залегания чувствительной области является наиболее эффективным, так как не требует разрушения объекта и позволяет определить толщину подложки даже при отсутствии одиночных эффек-
тов. Используя величину смещения, соответствующую резкому ИК изображению, может быть рассчитана глубина залегания чувствительной области и зависимость диаметра пучка лазерного излучения от величины смещения.
3. ПОТЕРИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОДЛОЖКЕ
Воздействие лазерным излучением с тыльной стороны позволяет исключить экранирующее действие многослойной металлизации, существенно ослабляющей лазерное излучение. Однако существует отражение оптического излучения от границы раздела и поглощение в подложке. Величина энергии лазерного излучения, дошедшего до чувствительных слоев кристалла, может быть получена из закона Бугера—Ламберта—Бера:
/ = / ^, (1)
где а — коэффициент поглощения в кремнии, w — толщина подложки.
Выражение (1) предполагает линейную модель поглощения лазерного излучения и не учитывает
Рис. 5. ИК-фотография фрагмента топологии кристалла БИС ХС5УЬХ со стороны подложки.
явление двухфотонного поглощения. Расчетные оценки показали, что области возникновения нелинейных процессов для остросфокусированного лазерного излучения для длины волн 1064 нм и длительности импульса 70 пс, при диаметре пятна фокусировки 2.5 мкм начинают проявляться только при уровнях эквивалентных значений линейных потерь энергии (ЛПЭ) тяжелых заряженных частиц, превышающих 200 МэВ см2/мг.
Проведенные оценки также показывают, что даже при толщине подложки 800 мкм ослабление лазерного излучения с длиной волны 1064 нм составляет чуть более 2 раз. В то же время потери лазерного излучения на слоях металлизации в современных Б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.